井下高温高精度磁场随钻测量系统设计

颜肖平，梁华庆，王志博，王 龙，曹旭东

(中国石油大学(北京)信息科学与工程学院，北京 102249)

0 引言

在钻井过程中，如果正钻井附近存在已钻井(注水井、油井等)，已钻井的金属套管受到地磁场磁化作用或自身具有剩磁，会在地层中产生磁化磁场[1-2]，该磁场叠加在地磁场上，从而引起正钻井井眼中地磁的异常。在正钻井中，利用高精度磁场测量系统测量此种异常磁场，通过分析计算异常地磁的幅度与方向，即可确定正钻井与邻近已钻井的距离与方位[3-4]，并据此修正钻进井眼轨迹设计，以避免井眼相碰或实现井眼联通。

由于套管产生的磁化磁场强度非常微弱，并以测距的三次方急速衰减，前期研究显示，当测距超过5 m时其强度已衰减至0.1 nT以下，仅为地磁场强度的1/500 000[5-6]，因此对磁场测量系统的采样分辨率要求很高。虽然目前应用的随钻测量系统(MWD)均含有测量地磁强度单元，但其磁场分辨率通常大于10 nT，无法满足测距的高精度要求[7]。此外，随钻测量系统处在井下高温、高振动的恶劣工作环境，对测量系统的稳定性与可靠性也提出了更高要求[8-9]。

鉴于上述，在“十三五”国家科技重大专项的资助下，研制了一套井下高温环境中、地磁场强干扰背景下，极微弱磁信号的高精度测量系统，为MWD系统提供及时准确的定位导向数据。

1 系统结构与方案设计

1.1 系统结构设计

磁场测量系统作为单独的测量工具安装在正钻井的井下钻柱组合中。由于需要测量外部磁场，测量工具所处位置钻铤的材质必须采用无磁特种钢，磁场测量系统以总成形式安装在承压密封的无磁合金钢筒内，此钢筒位于钻铤内部中心，两者之间的空隙用于内循环泥浆。

测量系统的电路固定于钢筒内部铝骨架上，外径必须控制在50 mm以内，并根据系统设计需求及电池仓的大小确定总长度，系统总成结构的3D模型如图1所示。同时，铝骨架两端装配PEEK减震环，外部安装薄壁铝筒，电路测试完毕之后采用高温硅胶灌封，提高系统的抗震能力。

图1 磁场随钻测量系统结构及方案设计示意图

1.2 系统方案设计

如图1所示，正钻井的井眼附近地层中存在相邻井套管，在正钻井中测量系统测量的磁信号包含地磁及套管的磁化磁场。随着距离或者相对方位的变化，磁化磁场幅度也会变化或改变方向，但地磁场幅度与方向保持不变，从而可根据不同深度点测量得到的总磁场矢量变化梯度来确定两者之间距离及方位。

磁场随钻测量系统主要包含：三轴正交高精度磁通门传感器及驱动电路、三通道高精度磁信号采集及控制电路、隔离电源模块、供电和总线通讯电路及电池仓附属配置。系统利用磁通门传感器转换磁场强度为电压信号，利用采集及控制电路进行信号滤波、ADC数字化及相关幅度提取，通过通讯总线传输数据至MWD工具或地面测试系统，数据也可以存储于Flash芯片中，在测后井口地面通过数据接口读取存储数据。为了提高磁信号采集电路的信号采样精度及抗干扰能力，测量系统采用隔离型电源模块以隔离与外部总线的电气连接，电源与测量电路反面安装，防止外部电源及通讯信号噪声耦合至测量电路。

系统内部安装电池模块作为备用电流源，可实现系统独立工作及不间断供电测量。电池的电压一般低于总线供电电压，如总线上具有电源供电则优先使用总线电源。

2 测量电路设计

测量系统的设计指标：磁场强度分辨率为0.1 nT，有效测量精度下温度不低于125 ℃，最高运行温度为150 ℃。在分析噪声源的基础上，从传感器选型、芯片选型、滤波电路设计、ADC模数转换、LDO电源稳压等关键部分进行筛选和设计优化。

三轴测量电路框图如图2所示，Y、Z轴的滤波、采集电路与X轴相同。

图2 磁场测量电路框图

2.1 噪声分析与抑制方法

电路系统存在外部噪声和内部噪声，外部噪声指电磁脉冲、电源纹波等以电压/电流方式辐射或耦合至测量电路的干扰噪声，内部噪声为输入端电压/电流噪声、热噪声、闪烁噪声、散粒噪声、随机噪声等[10-11]。假定这些噪声存在无相关性，则输出噪声可表示为

(1)

式中：VnT为总输出噪声，V；eR为热噪声，V；en为输入端电压噪声，V；in为输入端电流噪声，A；Rs为输入源等效电阻，Ω；Vn(Rex)为外部电压噪声，V；Gn为噪声增益。

热噪声又可表示为

(2)

式中：k为玻尔兹曼常量，k=1.38×10-23J/K；T为绝对温度，K；R为等效电阻，Ω；B为带宽范围，Hz。

如何抑制噪声影响，需要针对式(1)及式(2)所示的各噪声源进行针对处理。为降低外部电压噪声，需做好电路电磁屏蔽、模拟与数字地隔离、优化布线等措施。对于内部噪声抑制，则需采用选取低噪声水平的传感器与运算放大器、使用低噪声电阻及减小阻值、尽量减少噪声源的数量等手段[12]。

2.2 高温传感器选型

2.3 信号滤波处理

运用LT Spice电路仿真软件对以上两级低通滤波电路进行性能仿真，结果如图3所示。由于磁信号的电压范围为±10 V，ADC芯片的测量量程为±2.5 V，因此滤波电路之后设计有幅度衰减电路，满足磁场强度±100 μT测量范围。

(a)

(b)

2.4 高精度ADC模数转换

根据采样分辨率、SNR等关键参数选型，系统选用了ADS1282HPW芯片，此芯片为32位∑-Δ型ADC，具有31位的有效分辨率[15]，性能指标为：信噪比(SNR)为130 dB(250 SPS)，总谐波失真(THD)为-122 dB，积分非线性(INL)为0.5 ppm(1 ppm=10-6)，采样比为250～4 000 SPS，测量量程为±2.5 V，温度范围为-55～210 ℃，性能可满足应用环境[16]。

为防止3个通道的信号互相串扰，系统为每个通道单独配置一个模数转换芯片，利用复用的SPI总线配置ADC芯片和读取转换数据，同时采用耐温150 ℃的ARM数字信号处理器，提取磁信号幅度值后上传至通讯总线。

2.5 电源稳压处理电路

由于总线上供电电源存在波动及外部电磁干扰[17]，为进一步降低测量电路的电源纹波噪声，测量电路先采用开关电源完成双路±15 V电源转换输出，后利用超低噪声线性稳压器(LDO)滤除电源纹波。LDO稳压器具有均方根值不超过0.8 μV的超低噪声(10 Hz～100 kHz)，最终输出±12 V、±2.5 V稳压电源，提高了系统供电的抗干扰能力。

3 系统性能测试

经过不断完善优化，已完成测量电路的设计及制作，并进行了相关性能测试及分析。测量系统的内部结构及电路实物如图4所示。

图4 磁场随钻测量系统总成实物图

3.1 信号采样精度及线性度测试

首先，对ADS1282进行转换精度测试。将3路ADC的信号输入引脚接地，检测芯片在输入接地情况下的采样分辨率，采样频率为10 Hz，共采集1 000个数据点。结果显示，信号幅度标准差约为0.71 μV，ADC采样有效位数达到22位。

其次，进行信号输入端噪声水平测试。将信号输入端接地，检测低通滤波电路至ADC采集通道的固有噪声水平。测试结果显示，信号输入端在增益归一化后的噪声幅度标准差约为2.59 μV。由于Mag-610L幅度转换比例为1 nT∶0.1 mV，在0.1 nT磁场分辨率指标下需要的电压幅度分辨率为10 μV，因此固有噪声水平到达设计要求。

最后，检验ADC转换线性度。采用直流形式输入电压信号至采集电路信号输入端，检验及标定输入信号ADC转换线性度。测试结果图5所示，X、Y、Z通道的线性拟合优度系数R2分别为：0.997 1、0.996 1、0.999 2，线性度符合要求。

图5 输入信号ADC转换线性度测试曲线

3.2 高温环境下测量分辨率测试

为检验测量系统的温度性能，利用电热恒温箱 (DGG-9053A)对采集电路加温测试，温度范围为室温(约25 ℃)～125 ℃。测试过程分为2步：第一步，采用采集电路的信号输入端接地方式，检验电路自身固有噪声水平受温度的影响程度；第二步，信号输入端连接温箱外部的1.5 V直流电压信号。依次记录以上2步测量的幅度偏移量及标准差。

测试结果如图6所示。

(a)信号幅度随温度漂移曲线

(b)幅度标准差随温度变化曲线图6 测量系统温度实验测量结果

图6(a)显示了随温度上升信号测量幅度的漂移量(图中曲线已减去直流偏置)，对比2种连接方式，两者的变化趋势相反，但幅度相对漂移量相似，常温～125 ℃的漂移量约0.8 mV，测量系统也可以据此测试方法对漂移量进行温度补偿[18]。图6(b)显示了随温度增高信号测量幅度的标准差变化趋势。在接地情况下，随着温度上升，幅度标准差在2.7 μV左右波动，但在接入1.5 V电压信号后，随着温度增高，标准差大幅增加，在125 ℃时标准差已增长至10 μV左右。相比于热噪声理论值，噪声增长幅度偏大，原因在于随着温度上升恒温箱供电功率增大，对连接外部1.5 V信号线缆的电磁辐射干扰也不断增强，从而影响了测量电路的噪声水平，由于实际高温环境中在不存在此种情况，因此实际的噪声幅度应低于此测试值。

3.3 无磁环境下磁场分辨率测试

由于地面环境中存在地磁波动及电磁干扰，因此利用磁场屏蔽装置来检验磁场测量系统的整体噪声水平及磁场幅度分辨率。测试方案如图7所示，将Mag-610L放入磁场屏蔽装置，相关电路外部放置，测量数据通过RS232串口上传至测试软件。

图7 磁屏蔽实验装置及测试方案示意图

数据采样频率设为10 Hz，单次采样1 000数据点，重复3次，得到的三轴磁场的直流偏置幅度值及其标准差如表1所示，结果表明，三轴磁场幅度的标准差均低于0.1 nT，达到设计要求。

表1 磁屏蔽测试三轴磁场强度值及其标准差 nT

4 结束语

本文从分析噪声源及可行的抑制方法着手，在系统结构、高温器件选型、信号滤波与高精度ADC转换、电源稳压处理等方面进行设计和优化以实现高温高精度磁场随钻测量。测试结果表明，ADC采样有效位数可达22位，在25～125 ℃度范围内，采集电路的固有噪声水平低于10 μV，无磁环境测试结果表明三轴磁场信号输入端强度测量分辨率达到0.1 nT设计指标，满足高温下测距的测量精度需求。同时，所研制的测量系统还需不断地通过现场应用和改进以提高可靠性，更好地服务于钻井工程需求。